CN104862789A - 一种复杂器官可控成型静电纺丝装置 - Google Patents

一种复杂器官可控成型静电纺丝装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复杂器官可控成型静电纺丝装置，主要包括保温箱体、温度控制系统、湿度控制系统、CO2含量调节系统、转盘系统、紫外消毒灯、细胞原液输出装置、培养基质输出装置、熔体电纺装置、溶液电纺装置、培养皿、三维运动系统、滑轨和高压静电发生器，其中转盘系统放置于保温箱体顶部，细胞原液输出装置、培养基质输出装置、熔体电纺装置和溶液电纺装置均匀周向分布在转盘系统转盘上。本发明一种复杂器官可控成型静电纺丝装置通过熔体电纺与溶液电纺相结合，制备多级结构纤维支架，在支架上种植细胞，培养复杂组织器官。不仅实现了复杂支架结构可控成型目的，而且完成了从无生命支架到有活性组织的转变过程，为器官一体化成型装置开辟先河。

Description

一种复杂器官可控成型静电纺丝装置
技术领域
本发明涉及一种复杂器官可控成型装置，属于静电纺丝技术领域。
背景技术
静电纺丝纤维的直径从几十纳米到几十微米，具有高比表面积、长径比大、质轻等特点，且形成的纤维膜孔隙率高，所以其拥有广泛的应用前景，尤其是组织工程领域的应用。
应用与组织工程领域的支架需要具有复杂可控的结构，目前满足该应用的专利和文章较少，2008年Dalton等提出一种通过控制X-Y工作台的运行速度制备可控成型组织工程载体的技术(Dalton P D,Joergensen N T,Groll J,et al.Patterned melt electrospun substrates for tissue engineering.Biomedical Materials,2008,3(3):034109.)。但是该技术材料单一，不可制造多元化、非均质组织器官载体。而由清华大学所提出的一系列专利(申请号200910093785.0)一种转盘式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统和(申请号201010193223.6)复杂器官前体三维受控成形机用多喷头喷射装置，虽然该技术可以达到所制备的组织支架可控性强且形成组织支架非均质的要求，但是其只能制造组织器官前体，在器官一体化制造上存在缺陷。
针对以上问题，本发明提出一种复杂器官可控成型静电纺丝装置。该装置结合熔体静电纺丝和溶液静电纺丝纤维孔隙直径多级化的优点，并且配备精良的生化系统，达到组织支架制造与组织培养一体化的目标。
发明内容
本发明提出一种复杂器官可控成型静电纺丝装置，目的是为了简化组织支架制备、细胞培养和细胞种植等复杂过程。采用多级静电纺丝法制备具有利于细胞穿越的微米级孔洞，利于细胞粘附的纳米级纤维膜和具有一定机械强度纳米级骨架。并结合细胞培养技术，通过温度、CO2含量和湿度的调节，为组织的生长与繁殖提供有利条件，从而直接制备出具有生物活性的复杂器官。
本发明提出的一种复杂器官可控成型静电纺丝装置，主要包括保温箱体、温度控制系统、湿度控制系统、CO2含量调节系统、转盘系统、紫外消毒灯、细胞原液输出装置、培养基质输出装置、熔体电纺装置、溶液电纺装置、培养皿、三维运动系统、滑轨和高压静电发生器。其中转盘系统放置于保温箱体顶部，细胞原液输出装置、培养基质输出装置、熔体电纺装置和溶液电纺装置均匀周向分布在转盘系统的转盘上，转盘接地。三维运动控制系统通过滑轨与保温箱体相连接，高压静电发生器与三维运动系统中的圆形平台相连，圆形平台上放置了培养皿。保温箱体左侧面板上安装了温度控制系统、湿度控制系统和CO2含量调节系统，两个紫外消毒灯对称安装在保温箱体顶部左右两侧。
本发明提出了一种复杂器官可控成型静电纺丝装置，其中保温箱体为单侧拉门结构，整体呈密闭状态，保持箱体内无菌环境。
本发明提出了一种复杂器官可控成型静电纺丝装置，其中转盘系统主要包括棘轮机构、伸缩杆和转盘。伸缩杆上端连接棘轮机构，下端连接转盘。棘轮机构为主要驱动力，其带动转盘转动，根据需要，可调整喷头位置，为组织器官构建提供所需原料，如溶液纤维、熔体纤维、细胞原液或者培养基质等。与棘轮机构相连的是伸缩杆，依靠其伸缩杆改变转盘竖直位置，便于更换转盘上的其他装置。
本发明提出了一种复杂器官可控成型静电纺丝装置，其中熔体电纺装置包括电机、螺杆、加热装置、料筒和单针头。通过电机带动螺杆转动，通过螺杆转速的调节可调节进料速度；螺杆与料筒同轴配合，加热装置分两段紧紧包裹于料筒上下两端，保证加热温度；料筒底部安装有单针头，便于单丝的形成。
本发明提出了一种复杂器官可控成型静电纺丝装置，其中溶液电纺装置包括带丝杠电机、压板、导向筒、柱塞、针筒和针头。丝杠电机与压板螺纹配合，通过丝杠转动，带动压板上下运动；导向筒与压板同轴且间歇配合，为压板的上下运动导向。而柱塞与压板相连，通过压板带动柱塞运动，达到进料速度的控制要求。柱塞与针筒同轴且紧密贴合，防止注射液的反流。细胞原液输出装置、培养基质输出装置的结构可以选用与溶液电纺装置结构相同。
本发明提出了一种复杂器官可控成型静电纺丝装置，其中三维运动控制系统包括X滑竿、Y滑竿、Z滑竿、X电机、Y电机、Z电机和圆形转盘。圆形转盘安装在Y滑竿上，Y电机带动Y滑竿转动，使圆形转盘沿Y方向往复运动；Y滑竿和两根X滑竿相连，通过X电机带动，沿X方向往复运动；X滑竿与Z滑竿相连，通过Z电机带动，沿Z方向做上下运动。
本发明提出了一种复杂器官可控成型静电纺丝装置，其中温度控制系统、湿度控制系统、CO2含量调节系统和紫外消毒灯构成一个是与细胞繁殖的环境，便于细胞培养。温度控制系统保证适宜的温度，湿度控制系统调节适宜的空气湿度，CO2含量调节系统保持一定CO2含量，保证细胞正常代谢过程，而紫外消毒灯则为保温箱体内一切装置提供消毒作用，保证保温箱体内无菌状态，便于细胞健康繁殖。
本发明通过熔体电纺与溶液电纺相结合，制备多级结构纤维支架，并且在支架上种植细胞，培养复杂组织器官。不仅实现了复杂支架结构可控成型目的，而且完成了从无生命支架到有活性组织的转变过程，为器官一体化成型装置开辟先河。
附图说明
图1本发明一种复杂器官可控成型静电纺丝装置结构示意图。
图2本发明一种复杂器官可控成型静电纺丝装置的转盘系统示意图。
图3本发明一种复杂器官可控成型静电纺丝装置的熔体电纺装置示意图。
图4本发明一种复杂器官可控成型静电纺丝装置的溶液电纺装置示意图。
图5本发明一种复杂器官可控成型静电纺丝装置的三维运动控制系统俯视图。
图6本发明一种复杂器官可控成型静电纺丝装置的三维运动控制系统右视图。
图中：1-保温箱体，2-温度控制系统，3-湿度控制系统，4-CO2含量调节系统，5-转盘系统，6-紫外消毒灯，7-熔体电纺装置，8-溶液电纺装置，9-培养皿，10-三维运动控制系统，11-滑轨，12-高压静电发生器，13-棘轮机构，14-伸缩杆，15-转盘，16-电机，17-螺杆，18-加热装置，19-料筒，20-单针头，21-带丝杠电机，22-压板，23-导向筒，24-针头，25-X滑竿，26-圆形平台，27-Y滑竿，28-Y电机，29-X电机，30-Z电机，31-Z滑竿，32针筒，33-活塞。
具体实施方式
本发明涉及一种复杂器官可控成型静电纺丝装置，如图1所示，包括保温箱体1、温度控制系统2、湿度控制系统3、CO2含量调节系统4、转盘系统5、紫外消毒灯6、细胞原液输出装置、培养基质输出装置、熔体电纺装置7、溶液电纺装置8、培养皿9、三维运动控制系统10、滑轨11以及高压静电发生器12等。其中转盘系统5放置于保温箱体1顶部，细胞原液输出装置、培养基质输出装置、熔体纺丝装置7和溶液纺丝装置8均匀周向分布在转盘系统5的转盘15上，转盘15接地。三维运动控制系统10通过滑轨11与保温箱体1相连接，高压静电发生器12与三维运动系统10中的圆形平台26相连，圆形平台26上放置了培养皿9。保温箱体1左侧面板上安装了温度控制系统2、湿度控制系统3和CO2含量调节系统4，两个紫外消毒灯6对称安装在保温箱体1顶部左右两侧。
一个具体实施例如下：
首先制备好细胞原液和培养基质，将它们注入如图4所示溶液电纺装置8中，并将其余放于冷藏室中保存。接着打开紫外消毒灯6，对整个保温箱体1进行消毒。调节如图1所示温度控制系统2、湿度控制系统3和CO2含量调节系统4，使保温箱体1内环境适于细胞生存。然后将装有细胞原液输出装置、培养基质输出装置、熔体电纺装置7和溶液电纺装置8放置于图2所示转盘15上，通过伸缩杆14将该装置安装上。打开带丝杆电机21、X电机29、Y电机28、Z电机30、加热装置18、高压静电发生器12的电源及图3所示的电机16。启动电机16驱动料筒19中的螺杆17转动，将熔体带到单针头20处，启动高压静电发生器12，使单针头20到圆形平台26间存在静电场，拉伸熔体，使其落到培养皿9中，通过如图5和图6所示三维运动控制系统10中X滑竿25、Y滑竿27和Z滑竿31与滑轨11的导向，使圆形平台26进行可控三维运动，制备出一层强度较高的骨架。接着转盘系统5中的棘轮机构13驱动转盘15转动，换用溶液电纺装置8，通过带丝杆电机21驱动压板22沿导向筒23向下运动，从而带动活塞33向下运动，使溶液流出针筒32，在针头24处通过电压拉伸，产生纤维细度较小的纤维膜。在这之后，转盘15再次转动，将属于该处的培养基质和细胞原液注射到支架上。如此周而复始，在制造支架的过程中将该部分的培养基质和细胞原液注入，从而实现非均匀组织的构造。

Claims (7)

1.一种复杂器官可控成型静电纺丝装置，其特征在于：主要包括保温箱体、温度控制系统、湿度控制系统、CO2含量调节系统、转盘系统、紫外消毒灯、细胞原液输出装置、培养基质输出装置、熔体电纺装置、溶液电纺装置、培养皿、三维运动系统、滑轨和高压静电发生器，其中转盘系统放置于保温箱体顶部，细胞原液输出装置、培养基质输出装置、熔体电纺装置和溶液电纺装置均匀周向分布在转盘系统的转盘上，转盘接地；三维运动控制系统通过滑轨与保温箱体相连接，高压静电发生器与三维运动系统中的圆形平台相连，圆形平台上放置了培养皿；保温箱体左侧面板上安装了温度控制系统、湿度控制系统和CO2含量调节系统，两个紫外消毒灯对称安装在保温箱体顶部左右两侧。
2.根据权利要求1所示的一种复杂器官可控成型静电纺丝装置，其特征在于：保温箱体为单侧拉门结构，整体呈密闭状态，保持箱体内无菌环境。
3.根据权利要求1所示的一种复杂器官可控成型静电纺丝装置，其特征在于：转盘系统主要包括棘轮机构、伸缩杆和转盘，伸缩杆上端连接棘轮机构，下端连接转盘，棘轮机构带动转盘转动，与棘轮机构相连的是伸缩杆，依靠其伸缩杆改变转盘竖直位置。
4.根据权利要求1所示的一种复杂器官可控成型静电纺丝装置，其特征在于：熔体电纺装置包括电机、螺杆、加热装置、料筒和单针头，通过电机带动螺杆转动；螺杆与料筒同轴配合，加热装置分两段紧紧包裹于料筒上下两端；料筒底部安装有单针头。
5.根据权利要求1所示的一种复杂器官可控成型静电纺丝装置，其特征在于：溶液电纺装置包括带丝杠电机、压板、导向筒、柱塞、针筒和针头，丝杠电机与压板螺纹配合，通过丝杠转动，带动压板上下运动；导向筒与压板同轴且间歇配合，为压板的上下运动导向；而柱塞与压板相连，通过压板带动柱塞运动；柱塞与针筒同轴且紧密贴合。
6.根据权利要求5所示的一种复杂器官可控成型静电纺丝装置，其特征在于：细胞原液输出装置、培养基质输出装置的结构选用与溶液电纺装置结构相同。
7.根据权利要求1所示的一种复杂器官可控成型静电纺丝装置，其特征在于：三维运动控制系统包括X滑竿、Y滑竿、Z滑竿、X电机、Y电机、Z电机和圆形转盘，圆形转盘安装在Y滑竿上，Y电机带动Y滑竿转动，使圆形转盘沿Y方向往复运动；Y滑竿和两根X滑竿相连，通过X电机带动，沿X方向往复运动；X滑竿与Z滑竿相连，通过Z电机带动，沿Z方向做上下运动。
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